WO2002026414A1 - Verfahren zum umformen von strukturen aus aluminium-legierungen - Google Patents

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WO2002026414A1
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component
holding device
contour
alloys
reshaped
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Stephane Jambu
Knut Juhl
Blanka Lenczowski
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Eads Deutschland Gmbh
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    • B21D26/02—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces by applying fluid pressure
    • B21D26/021—Deforming sheet bodies
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    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22F1/047—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys with magnesium as the next major constituent

Definitions

  • the present invention relates to a method for forming structures from aluminum alloys, in particular from naturally hard AlMg, naturally hard AlMgSc, and / or hardenable AlMgLi alloys.
  • Structures or molded parts of this type capture, for example, wing skin surfaces, cover and tank elements for spacecraft, aircraft fuselage surfaces with structural stiffening elements such as stringers and frames.
  • the production of such molded parts made of aluminum alloys with exact contours and drawings is generally difficult and usually requires several forming steps of the individual components with appropriate intermediate annealing treatments.
  • the current state of the art is that the outer skin fields are formed from sheets of alloy AA2024 in the solution-annealed state by means of stretch drawing.
  • the structure to be reshaped In stretch drawing, which can be carried out both in the cold and in the warm state, the structure to be reshaped is known to be reshaped in one or more steps or phases (cf. DE 195 04 649 C1).
  • the structure to be reshaped can first be drawn in the longitudinal direction and then over a molded part that has the desired final contour.
  • the disadvantage here is that internal stresses arise from the molding process in the material, which are caused by the superimposition of operating loads to cause the structure to fail being able to lead. Furthermore, forming into a structure with a spherical curvature, ie with curvatures along different spatial directions, is difficult and requires appropriately designed machines and dimensionally stable tools. In addition, the structure to be reshaped is usually damaged by attaching clamping jaws on the outer edges, so that these areas have to be removed, for example, by contour milling. This not only leads to a loss of material, but also requires a further processing step, which leads to unnecessary effort and the associated loss of time.
  • Lüder lines Surface phenomena, which are also referred to as Lüder lines, and can have a disruptive effect on the material properties.
  • the group of AlMg alloys has a planar anisotropy with an r -value minimum in the L direction (rolling direction). This means that the material flow during stretch drawing largely takes place from the sheet thickness and therefore the structure to be formed tends to thin out locally and to premature failure earlier. Furthermore, the reduction in the sheet metal thickness due to the stretching means that it is only possible to achieve a final thickness that conforms to the drawing with uniform degrees of expansion and is therefore difficult to achieve in the case of components with large differences in development.
  • a hardening process is also used for forming, which is carried out, for example, under the action of pressure and temperature in an autoclave or oven, and at the same time a hardening effect occurs.
  • This so-called “age forming” process is used for hardenable Al alloys of the 2xxx, 6xxx, 7xxx and 8xxx series.
  • the structure to be formed is resiliently shaped under the action of pressure or force.
  • the structure to be formed is thus first shaped beyond the desired final shape.
  • a component to be formed from the alloys according to the invention is elastically shaped under the action of an external force and thereby assumes its desired final shape, and in that the elastically shaped component is then heated to a temperature higher than the temperature required for creep deformation and stress relaxation of the alloy is heated so that the component is formed as far as possible while maintaining its final shape.
  • the component is reshaped under the influence of heat without any significant springback and thereby almost maintains the final shape impressed by the elastic shaping.
  • the component basically has the same curvature as before the heat treatment.
  • the elastic shaping of the component before the heat treatment, the component already taking its desired final shape can be carried out in accordance with a first embodiment in such a way that an external force acts on the component after the component to be shaped has been inserted into a holding device, whereupon the component under elastic Forming hugs the contour of the holding device.
  • the external force can be transmitted via a mechanical pressure or stamp device, which presses the component towards the holding device.
  • the elastic shaping can take place by the action of an external pressure which is generated, for example, in an evacuated space.
  • Component inserted holding device acts an external force such that the component bends elastically in the direction of the holding device, so that a cavity is formed between the component and the holding device. This cavity is then sealed with a sealing material and then evacuated. Due to the resulting negative pressure, the component conforms to the contour of the elastic
  • Holding device completely and takes the desired final shape.
  • the component is then shaped under the action of heat at temperatures which are above the temperature required for the creep deformation and stress relaxation of the alloy.
  • the advantage lies not only in the fact that the contour of the holding device corresponds to the desired final shape of the component to be reshaped, but also in the fact that the shaping is of a purely elastic nature due to the action of the external forces. This means, that the component returns to its original shape when no external forces act on the component. Corrections or reinserting are possible without any problems.
  • the elastic shaping of the component by the action of external forces can thus be repeated at any time.
  • the maximum temperature is preferably between 200 ° C. and 450 ° C. and is typically kept constant for a period of 0 to 72 h.
  • the heating or cooling rate and the maximum temperature can be adapted to the alloy used or to the desired physical properties within the ranges mentioned.
  • the component can be reshaped after the method has been carried out, which is not possible or only possible to a limited extent with the known methods.
  • Another advantage of the method according to the invention is that both simply curved and spherical structures can be reshaped in one work step.
  • the holding device has curvatures that extend in different spatial directions and correspond to the finished end contour of the component to be formed.
  • complex 3D structures, to which stringer and frame are already attached can also be easily reshaped.
  • deformations caused by thermal stresses from a previous welding process are compensated for by the forming process according to the invention.
  • Figure 1 is a schematic representation for explaining the insertion of a component to be formed in a holding device.
  • 2 shows a schematic illustration for explaining the action of an external force on the component to be formed;
  • the component 1 to be formed can be a two-dimensional sheet made of hard-rolled, naturally hard material.
  • stiffening elements (not shown) can already be attached to the sheet by means of friction stir welding, laser welding or other suitable methods, so that the structure to be formed has a three-dimensional shape.
  • the sheet is inserted into the holding device 2 in such a way that the reinforcing structures point away from the holding device 2.
  • any complex, three-dimensional structure can be inserted into the holding device for forming, which in particular consists of a naturally hard, i.e. non-hardenable aluminum alloys.
  • These non-hardenable aluminum alloys can be AlMg alloys or in particular AlMgSc alloys. However, hardenable AlMgLi alloys can also be used.
  • the holding device 2 into which the component 1 to be formed is inserted has a shape or contour 2a which corresponds to the desired final shape of the formed component 1.
  • the final shape of the component 1 is designated by the reference number 1a.
  • the curvature of the holding device 2 can extend both in the plane shown in FIG. 1 and in the plane perpendicular thereto, so that a component can also be formed into a final shape with a spherical or double curvature in one working step.
  • the component 1 is first inserted into the holding device 2 in its unshaped state.
  • a cavity 3 is formed between component 1 and holding device 2.
  • a force F then acts on the unshaped component 1 from above, that is to say from the holding device 2 on the opposite side of the component 1.
  • This force F can be transmitted to component 1, for example, via a stamp or pressure arrangement 4, which is only shown schematically in FIG. 1.
  • Other suitable means of exerting this external force are also possible. This can be, for example, the action of an external pressure P within an evacuated space in which the holding device and the component are located.
  • a combination of the forces F and P is also possible.
  • the component 1 Due to the action of the external force F and / or P, the component 1 is elastically shaped such that it bends in the direction of the holding device 2. As can be seen from FIG. 2, the radius of curvature of the elastically deformed component 1 is larger than that of the holding device 2, so that a cavity 3 is still present between the component 1 and the holding device 2. However, the volume of the cavity 3 is smaller compared to the initial state shown in FIG. 1.
  • the elastic shaping of the component 1 by the action of the external forces also leads to the fact that the contact surface between the component 1 and the holding device 2 becomes larger and the cavity 3 can thus be sealed airtight using a sealing material 5.
  • the sealing material 5 is typically a temperature-resistant, modified silicone material that is applied to the edge area of the component 1.
  • the cavity 3 between component 1 and holding device 2 is evacuated.
  • through holes 6 are arranged in the holding device 2, via which the cavity 3 is connected to a vacuum pump (not shown).
  • the evacuation creates a negative pressure p in the cavity, as a result of which the component 1 is pulled further in the direction of the holding device 2 until it lies completely against the contour 2a of the holding device 2, as is shown in FIG. 3.
  • the representation of the printing or stamp arrangement has been omitted in FIG. 3.
  • the arrangement is in a closed housing 7, which can be an oven, an autoclave or the like.
  • the component 1 is initially in the elastically shaped state, so that the shaping is reversible and the process could be carried out again if no external force were to act on the component. This means that when the component to be formed no longer has any external force, it returns to its original, unshaped position. Corrections are therefore possible at any time without any problems.
  • the component 1 After the component has been brought into its final shape 1a by the above steps with elastic shaping, the component 1 is heat-treated within the closed housing 7 while maintaining the vacuum. As a result of the heating, the component 1 is deformed with relaxation of the stresses introduced into the material during the elastic shaping. After the stress relaxation due to heat has been completed, the vacuum can be switched off and a cooling phase follows. The component almost maintains the final shape 1a predetermined by the contour of the holding device, without significant springback occurring.
  • the heat treatment is carried out in accordance with the schematic T (t) curve shown in FIG. 4.
  • the component 1 In the evacuated state, ie the component 1 lies completely against the contour 2a of the holding device 2, the component 1 is heated to a maximum temperature 1 which is above the temperature required for the creep deformation and stress relaxation of the alloy, which is typically greater or equal Is 200 ° C.
  • the component is heated at a heating rate between 20 ° C / s and 10 ° C / h within a first time interval ⁇ ⁇ to the desired target temperature T.
  • the heating rate can also vary stepwise or in another suitable manner within the interval ⁇ t t .
  • the maximum temperature T 1f which is typically between 220 ° C and 450 ° C, is reached at time t t .
  • This temperature is then kept constant for a period of time .DELTA.t 2 , where .DELTA.t 2 is typically between 0 and 72 h.
  • the essential stress relaxation of the component takes place within this time interval ⁇ t 2 .
  • the vacuum can be switched off and a cooling phase follows at a rate of typically 200 ° C./s to 10 ° C./h.
  • cooling can take place continuously or in stages.
  • the cooling can take place by normal air cooling or in another suitable manner.
  • the holding device can with sufficient accuracy
  • the components to be formed are not only two-dimensional sheets made from the above-mentioned aluminum alloys, but also three-dimensional forms which can be formed into a desired double-curved or spherical shape. This eliminates the time-consuming production of curved parts before the welding process. This was previously necessary because sheets and stringers in the near-net-shape state e.g. were connected by laser welding.
  • the method according to the invention also has the advantage that it almost completely compensates for such unevenness, without the need for complicated post-treatment methods or straightening processes.
  • there is only a slight loss of material in the method according to the invention since the edge regions on the longitudinal edges at which the stretching force is introduced in the conventional molding method do not have to be separated.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umformen von komplexen Strukturen aus Aluminium-Legierungen, insbesondere aus naturharten AlMg-, naturharten AlMgSc-, und/oder aushärtbaren AlMgLi-Legierungen. Aufgabe ist es hierbei, ein derartiges Verfahren zu schaffen, mit dem auf einfache Weise, d.h. mit möglichst wenig Prozessschritten, komplexe Strukturen aus den erfindungsgemässen Legierungen derartig umgeformt werden, dass sie ohne signifikante Rückfederung nahezu ihre Endform einnehmen. Dabei soll gleichzeitig der Materialverlust möglichst gering gehalten werden. Dies wird erfindungsgemäss durch die folgenden Schritte erzielt: elastisches Formen eines umzuformenden Bauteils (1) in eine vorgegebene Kontur (2a) unter externer Krafteinwirkung (F, P, p); und Erwärmen des elastisch geformten Bauteils (1) auf eine Temperatur (T1) grösser als die für eine Kriechumformung und Spannungsrelaxation der Legierung erforderlichen, so dass das Bauteil (1) unter Beibehaltung der Kontur (2a) umgeformt wird.

Description

Verfahren zum Umformen von Strukturen aus Aluminium-Legierungen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umformen von Strukturen aus Aluminium- Legierungen, insbesondere aus naturharten AlMg- , naturharten AlMgSc-, und/oder aushärtbaren AlMgLi- Legierungen.
In der Luft- und Raumfahrttechnik werden komplexe Strukturen mit hoher Festigkeit und Steifigkeit benötigt, die unter Berücksichtigung von Gewicht und aerodynamischen Gesichtspunkten ein optimales Design aufweisen müssen. Derartige Strukturen bzw. Formteile erfassen beispielsweise Flügelhautflächen, Abdeck- und Tankelemente für Raumfahrzeuge, Flugzeugrumpfflächen mit Strukturversteifungselementen wie Stringer und Spante. Die konturgenaue und zeichnungsgerechte Herstellung solcher Formteile aus Aluminium-Legierungen ist in der Regel schwierig und erfordert zumeist mehrere Umformschritte der Einzelkomponenten mit entsprechenden Zwischenglühbehandlungen.
Die Umsetzung von geschweißten Integralbauweisen im Flugzeugbau setzt die Verwendung gut schweißbarer, korrosionsbeständiger Werkstoffe wie AlMgSc- und AlMgLi- Legierungen voraus. Diese Legierungen weisen aufgrund ihres Eigenschaftsspektrums nur eine sehr begrenzte Duktilität auf. Dadurch ist eine Formgebung zur gewünschten Endkontur mit konventionellen Methoden teilweise nicht möglich, da das Formänderungsvermögen nicht ausreichend ist.
Heutiger Stand der Technik ist, daß die Außenhautfelder aus Blechen der Legierung AA2024 im lösungsgeglühten Zustand mittels Streckziehen umgeformt werden.
Beim Streckziehen, das sowohl im kalten als auch im warmen Zustand durchgeführt werden kann, wird bekannterweise die umzuformende Struktur in einem oder mehreren Schritten bzw. Phasen (vgl. DE 195 04 649 C1) umgeformt. Dabei kann die umzuformende Struktur zunächst in Längsrichtung und anschließend über ein Formteil gezogen werden, das die gewünschte Endkontur aufweist.
Nachteilig ist hierbei, daß interne Spannungen durch den Formvorgang im Material entstehen, welche durch Überlagerung von Betriebslasten zum Versagen der Struktur führen können. Ferner ist ein Umformen in eine Struktur mit sphärischer Krümmung, d.h. mit Krümmungen entlang unterschiedlicher Raumrichtungen, schwierig und erfordert entsprechend ausgelegte Maschinen und formstabile Werkzeuge. Zudem wird die umzuformende Struktur durch Anbringen von Spannbacken meist an den Außenrändern verletzt, so daß diese Bereiche z.B. durch konturfräsen entfernt werden müssen. Dies führt nicht nur zu einem Materialverlust, sondern erfordert auch einen weiteren Bearbeitungsschritt, der zu unnötigem Aufwand und damit verbundenem Zeitverlust führt.
Bei den AlMg- Legierungen beobachtet man zudem bei Raumtemperaturumformung eine diskontinuierliche Verformung und die Ausbildung von charakteristischen
Oberflächenerscheinungen, die auch als Lüder'sche Linien bezeichnet werden und sich störend auf die Materialeigenschaften auswirken können.
Ferner hat sich gezeigt, daß die Gruppe der AlMg- Legierungen eine planare Anisotropie mit einem r- Wertminimum in L- Richtung (Walzrichtung) aufweisen. Dies bedeutet, daß der Materialfluß beim Streckziehen zum Großteil aus der Blechdicke erfolgt und deshalb die umzuformende Struktur früher zur örtlichen Ausdünnung und zu vorzeitigem Versagen neigt. Ferner führt die Reduzierung der Blechdicke durch die Streckung dazu, daß das Erreichen einer zeichnungsgerechten Enddicke nur mit gleichmäßigen Dehnungsgraden erreicht werden kann und somit bei Bauteilen mit großen Abwicklungsunterschieden nur schwer zu realisieren ist.
Neben dem Streckziehen wird zum Umformen bekannterweise auch ein Aushärteverfahren verwendet, das beispielsweise unter Druck- und Temperatureinwirkung in einem Autoklaven oder Ofen durchgeführt wird, bei dem gleichzeitig ein Aushärteeffekt eintritt. Dieser sog. „age forming"- Prozeß wird für aushärtbare AI- Legierungen der 2xxx, 6xxx, 7xxx und 8xxx-Serien verwendet. Dabei erfolgt zunächst unter Druck- bzw. Krafteinwirkung eine elastische Formung der umzuformenden Struktur. Die umzuformende Struktur schmiegt sich an ein Formteil an, das einen kleineren Krümmungsradius als das fertige Bauteil aufweist, um dem sog. „Springback'-Effekt Rechnung zu tragen. Die umzuformende Struktur wird also zunächst über die gewünschte Endform hinaus geformt. Durch anschließende Erwärmung auf die legierungsspezifische Aushärtetemperatur erfolgt eine Formänderung unter teilweiser Spannungsrelaxation, wie das z.B. in dem Artikel von D.M. Hambrick, „Age forming technology expanded in an autoclave", SAE Technical Paper Series, General Aviation Aircraft Meeting and Exhibition, Wichita, Kansas April 16-19, 1985, No. 850885 beschrieben ist. Dies führt dazu, daß das Bauteil beim Abkühlen zu einem gewissen Grad rückfedert und erst dann die Endform einnimmt. Somit weist die umgeformte Struktur nach dem Abkühlen und Entlasten einen größeren Krümmungsradius auf als vor der Erwärmung. Dies ist vor allem für die Herstellung von Formteilen problematisch, da der „Springback'-Effekt mit hoher Genauigkeit vorausgesagt werden muß, um das Formteil so zu entwerfen, das letztendlich das fertige Bauteil die gewünschte Endform einnimmt. Dies erfordert wiederum eine aufwendige Simulation des „Springback"- Effekts, wie z.B. in den Druckschriften EP 0517982A1 und EP 0527570B1 beschrieben ist.
Neben den heute verwendeten aushärtbaren Legierungen (z.B. AA2024, AA6013, AA6056) sind für zukünftige Flugzeuggenerationen neue naturharte, d.h. nichtaushärtbare Legierungen entwickelt worden, die im Gegensatz zu den etablierten Legierungen aus metallurgischen Gründen nicht lösungsgeglüht werden können, da dies zu einem irreversiblen Festigkeitsverlust führen würde. Somit lassen sich die neuen Werkstoffe nicht problemlos durch konventionelle Verfahren umformen. Aufgrund dessen sind Alternativen für die Herstellung doppelt gekrümmter bzw. sphärischer Hautfelder erforderlich.
Somit ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit dem auf einfache Weise, d.h. mit möglichst wenig Prozeßschritten, komplexe Strukturen den erfindungsgemäßen Legierungen ohne nennenswerte Rückfederwirkung umgeformt werden können. Dabei soll gleichzeitig der Materialverlust durch Bearbeitungszugaben möglichst gering sein.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein umzuformendes Bauteils aus den erfindungsgemäßen Legierungen unter externer Kraftein Wirkung elastisch geformt wird und dabei seine gewünschte Endform einnimmt, und daß das elastisch geformte Bauteil anschließend auf eine Temperatur größer als die zur Kriechumformung und Spannungsrelaxation der Legierung erforderlichen Temperatur erwärmt wird, so daß das Bauteil möglichst unter Beibehaltung seiner Endform umgeformt wird. Auf diese Weise wird erreicht, daß das Bauteil ohne nennenswerte Rückfederung unter Wärmeeinwirkung umgeformt wird und dabei die durch die elastische Formung eingeprägte Endform nahezu beibehält. Das Bauteil weist also nach der Umformung und anschließenden Abkühlung prinzipiell die selbe Krümmung auf wie vor der Wärmebehandlung. Dies hat den Vorteil, daß die zur elastischen Formung verwendeten Formteile bzw. Halteeinrichtungen mit ausreichender Genauigkeit die selbe Form wie die theoretische Form des Bauteils aufweisen und somit eine komplexe Simulation zum Vorhersagen des „Springback"- Effekts nicht erforderlich ist.
Die elastische Formung des Bauteils vor der Wärmebehandlung, wobei das Bauteil bereits seine gewünschte Endform einnimmt, kann gemäß einer ersten Ausführungsform derart durchgeführt werden, daß nach dem Einlegen des umzuformenden Bauteils in eine Halteeinrichtung eine externe Kraft auf das Bauteil einwirkt, woraufhin das Bauteil unter elastischer Formung sich an die Kontur der Halteeinrichtung anschmiegt. Die externe Kraft kann dabei über eine mechanische Druck- bzw. Stempeleinrichtung übertragen werden, die das Bauteil in Richtung Halteeinrichtung drückt. Alternativ kann die elastische Formung durch Einwirken eines äußeren Druckes erfolgen, der beispielsweise in einem evakuierten Raum erzeugt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist es zweckmäßig, daß auf das in die
Halteeinrichtung eingelegte Bauteil eine äußere Kraft derart einwirkt, daß sich das Bauteil in Richtung Halteeinrichtung elastisch durchbiegt, so daß zwischen Bauteil und Halteeinrichtung ein Hohlraum entsteht. Dieser Hohlraum wird dann mit einem Dichtmaterial abgedichtet und anschließend evakuiert. Durch den entstehenden Unterdruck schmiegt sich das Bauteil unter elastischer Formung an die Kontur der
Halteeinrichtung vollständig an und nimmt die gewünschte Endform ein. Danach erfolgt unter Wärmeeinwirkung bei Temperaturen, die oberhalb der für die Kriechumformung und Spannungsrelaxation der Legierung erforderlichen Temperatur liegen, die Umformung des Bauteils.
Der Vorteil liegt also nicht nur darin, daß die Kontur der Halteeinrichtung der gewünschten Endform des umzuformenden Bauteils entspricht, sondern auch in der Tatsache, daß die Formung durch Einwirken der externen Kräfte rein elastischer Natur ist. Dies bedeutet, daß das Bauteil wieder in seine ursprüngliche Form übergeht, wenn keine externen Kräfte mehr auf das Bauteil einwirken. Somit sind Korrekturen oder ein erneutes Einlegen problemlos möglich. Die elastische Formung des Bauteils durch Einwirken der externen Kräfte kann somit jederzeit wiederholt werden.
Zweckmäßig ist es ferner, das Bauteil mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 20°C/s bis 10°C/h auf eine maximale Temperatur oberhalb der für die Kriechumformung und Spannungsrelaxation der Legierung erforderlichen Temperatur zu erwärmen und anschließend das Bauteil mit einer Rate zwischen 200°C/s bis 10°C/h abzukühlen. Vorzugsweise liegt die maximale Temperatur zwischen 200°C und 450°C und wird typischerweise für eine Zeitdauer von 0 bis 72 h konstant gehalten.
Vorteilhaft ist hierbei, daß innerhalb der genannten Bereiche die Erwärmungs- bzw. Abkühlrate sowie die maximale Temperatur an die verwendete Legierung oder an die gewünschten physikalischen Eigenschaften angepasst werden kann. Zudem kann nach dem Durchführen des Verfahrens eine erneute Umformung des Bauteils erfolgen, was mit den bekannten Verfahren nicht bzw. nur bedingt möglich ist.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß sowohl einfach gekrümmte als auch sphärische Strukturen in einem Arbeitsschritt umgeformt werden können. Zu diesem Zweck weist die Halteeinrichtung Krümmungen auf, die sich in unterschiedliche Raumrichtungen erstrecken und der fertigen Endkontur des umzuformenden Bauteils entsprechen. Ferner können neben 2D- auch komplexe 3D- • Strukturen, an denen bereits Stringer und Spante befestigt sind, auf einfache Art und Weise umgeformt werden. Gleichzeitig werden Verformungen, hervorgerufen durch Wärmespannungen durch einen vorangegangenen Schweißvorgang, durch das erfindungsgemäße Umformverfahren ausgeglichen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Abbildungen in näheren Einzelheiten erläutert. In denen zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung zum Erläutern des Einlegens eines umzuformenden Bauteils in eine Halteeinrichtung; Fig. 2 eine schematische Darstellung zum Erläutern des Einwirkens einer äußeren Kraft auf das umzuformende Bauteil;
Fig. 3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Umformschrittes; und
Fig. 4 ein T(t)- Diagramm der für die Umformung des Bauteils erforderlichen Wärmebehandlung.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung zum Erläutern des Einlegens eines umzuformenden Bauteils 1 in eine Halteeinrichtung 2. Das umzuformende Bauteil 1 kann ein zweidimensionales Blech aus walzhartem, naturhartem Material sein. Ebenso können an dem Blech bereits mittels Reibrührschweißen, Laserschweißen oder anderen geeigneten Verfahren Versteifungselemente angebracht sein (nicht dargestellt), so daß die umzuformende Struktur eine dreidimensionale Gestalt aufweist. In diesem Fall wird das Blech derart in die Halteeinrichtung 2 eingelegt, daß die Verstärkungsstrukturen von der Halteeinrichtung 2 wegweisen. Im Allgemeinen kann jede beliebige, komplexe, dreidimensionale Struktur in die Halteeinrichtung zum Umformen eingelegt werden, die insbesondere aus einer naturharten, d.h. nicht aushärtbaren Aluminium- Legierungen besteht. Diese nicht aushärtbaren Aluminium- Legierungen können AlMg- Legierungen oder insbesondere AlMgSc- Legierungen sein. Aber auch aushärtbare AlMgLi-Legierungen können verwendet werden.
Die Halteeinrichtung 2, in die das umzuformende Bauteil 1 eingelegt wird, weist eine Form bzw. Kontur 2a auf, die der gewünschten Endform des umgeformten Bauteils 1 entspricht. Im Folgenden wird die Endform des Bauteils 1 mit der Bezugsziffer 1a bezeichnet. Die Krümmung der Halteeinrichtung 2 kann sich sowohl in der in Fig. 1 dargestellten Ebene als auch in der dazu senkrechten Ebene erstrecken, so daß ein Bauteil auch in eine Endform mit sphärischer bzw. doppelter Krümmung in einem Arbeitsschritt umgeformt werden kann.
Das Bauteil 1 wird zunächst in seinem ungeformten Zustand in die Halteeinrichtung 2 eingelegt. Dabei bildet sich zwischen Bauteil 1 und Halteeinrichtung 2 ein Hohlraum 3. Anschließend wirkt auf das ungeformte Bauteil 1 von oben, d.h. von der Halteeinrichtung 2 entgegengesetzten Seite des Bauteils 1, eine Kraft F ein. Diese Kraft F kann beispielsweise über eine in Fig. 1 lediglich schematisch dargestellte Stempel- bzw. Druckanordnung 4 auf das Bauteil 1 übertragen werden. Andere geeignete Mittel zum Einwirken dieser äußeren Kraft sind ebenso möglich. Dies kann z.B. das Einwirken eines äußeren Druckes P innerhalb eines evakuierten Raumes sein, in dem sich Halteeinrichtung und Bauteil befinden. Ebenso ist eine Kombination der Kräfte F und P möglich.
Aufgrund des Einwirkens der äußeren Kraft F und/oder P wird das Bauteil 1 derart elastisch geformt, daß es sich in Richtung Halteeinrichtung 2 durchbiegt. Wie aus Fig. 2 zu sehen ist, ist dabei der Krümmungsradius des elastisch deformierten Bauteils 1 größer als der der Halteeinrichtung 2, so daß weiterhin ein Hohlraum 3 zwischen Bauteil 1 und Halteeinrichtung 2 vorhanden ist. Das Volumen des Hohlraumes 3 ist jedoch im Vergleich zu dem in Fig.1 dargestellten Ausgangszustand kleiner. Die elastische Formung des Bauteils 1 durch Einwirken der externen Kräfte führt auch dazu, daß die Auflagefläche zwischen Bauteil 1 und Halteeinrichtung 2 größer wird und somit der Hohlraum 3 unter Verwendung eines Dichtmaterials 5 luftdicht abgeschlossen werden kann. Das Dichtmaterial 5 ist hierbei typischerweise ein temperaturbeständiges, modifiziertes Silikonmaterial, das am Randbereich des Bauteils 1 aufgetragen wird.
Nach dem Abdichten wird der Hohlraum 3 zwischen Bauteil 1 und Halteeinrichtung 2 evakuiert. Zu diesem Zweck sind in der Halteeinrichtung 2 Durchbohrungen 6 angeordnet, über die der Hohlraum 3 an eine Vakuumpumpe (nicht dargestellt) angeschlossen wird. Durch das Evakuieren entsteht im Hohlraum ein Unterdruck p, wodurch das Bauteil 1 weiter in Richtung Halteeinrichtung 2 gezogen wird, bis es vollständig an der Kontur 2a der Halteeinrichtung 2 anliegt, wie in Figur 3 dargestellt ist. Es sei angemerkt, daß in Fig. 3 auf die Darstellung der Druck- bzw. Stempelanordnung verzichtet wurde. Zudem befindet sich die Anordnung in einem geschlossenen Gehäuse 7, das ein Ofen, ein Autoklave oder dergleichen sein kann.
In diesem Zusammenhang ist ferner anzumerken, daß in den Fällen, in denen die externe Kraft bzw. die externen Kräfte F und/oder P ausreichen, um das Bauteil bereits ganz an die Kontur 2a der Halteeinrichtung 2 zu drücken, auf das Evakuieren des Hohlraumes verzichtet werden kann. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn dünne Bleche bzw. gering gekrümmte Strukturen umgeformt werden.
Auch in dem in Fig. 3 dargestellten Zustand befindet sich das Bauteil 1 zunächst im elastisch geformten Zustand, so daß die Formung reversibel ist und der Prozeß von Neuem durchgeführt werden könnte, wenn keine externe Kraft mehr auf das Bauteil einwirken würde. D.h., wenn keine äußere Kraft mehr auf das umzuformende Bauteil einwirkt, kehrt es wieder in seine ungeformte ursprüngliche Ausgangslage zurück. Somit sind Korrekturen jederzeit problemlos möglich.
Nachdem das Bauteil durch die obigen Schritte unter elastischer Formung in seine Endform 1a gebracht wurde, wird das Bauteil 1 innerhalb des geschlossenen Gehäuses 7 unter Aufrechterhaltung des Vakuums wärmebehandelt. Durch die Erwärmung wird das Bauteil 1 unter Spannungsrelaxation der während der elastischen Formung in das Material eingebrachten Spannungen umgeformt. Nach Abschluß der Spannungsrelaxation durch Wärmeeinwirkung kann das Vakuum abgeschaltet werden und eine Abkühlphase schließt sich an. Das Bauteil behält dabei nahezu die durch die Kontur der Halteeinrichtung vorgegebene Endform 1a bei, ohne daß eine signifikante Rückfederung eintritt.
Die Wärmebehandlung erfolgt dabei gemäß dem in Figur 4 dargestellten schematischen T(t)-Verlauf. Im evakuierten Zustand, d.h. das Bauteil 1 liegt völlig an der Kontur 2a der Halteeinrichtung 2 an, wird das Bauteil 1 auf eine maximale Temperatur 1- erwärmt, die oberhalb der für die Kriechumformung und Spannungsrelaxation der Legierung erforderlichen Temperatur liegt, die typischerweise größer oder gleich 200°C ist. Das Bauteil wird dabei mit einer Aufheizgeschwindigkeit zwischen 20°C/s und 10°C/h innerhalb eines ersten Zeitintervalls Δ^ bis zu der gewünschten Zieltemperatur T, erwärmt. Die Aufheizrate kann dabei, entgegen des in Fig. 4 dargestellten kontinuierlichen Verlaufes, auch innerhalb des Intervalls Δtt stufenförmig oder in anderer geeigneter Weise variieren. Die maximale Temperatur T1f die typischerweise zwischen 220°C und 450°C liegt, wird zum Zeitpunkt tt erreicht. Diese Temperatur wird dann für eine Zeitdauer Δt2 konstant gehalten, wobei Δt2 typischerweise zwischen 0 und 72 h liegt. Innerhalb dieses Zeitintervalls Δt2 erfolgt die wesentliche Spannungsrelaxation des Bauteils. Nach Ablauf dieses Zeitintervalls, d.h. zum Zeitpunkt t2, kann das Vakuum abgeschaltet werden und eine Abkühlphase mit einer Rate von typischerweise 200°C/s bis 10°C/h schließt sich an. Die Abkühlung kann, wie in Fig. 4 schematisch dargestellt, kontinuierlich erfolgen oder auch stufenweise. Die Abkühlung kann dabei durch normale Luftkühlung oder auf andere geeignete Weise erfolgen.
Wesentlich ist, daß das Bauteil während des Abkühlprozesses seine durch die Kontur 2a der Halteeinrichtung 2 vorgegebene Endform 1a nahezu beibehält. Eine signifikante Rückfederung in eine Form mit größerem Krümmungsradius als die Halteeinrichtung tritt nicht ein. Somit kann die Halteeinrichtung mit ausreichender Genauigkeit mit den
Abmessungen der gewünschten Endform hergestellt werden. Eine komplizierte Simulation des Rückfedereffektes, wie es beispielsweise bei herkömmlichen aushärtbaren Legierungen, die durch das „age forming'-Verfahren umgeformt werden, der Fall ist, ist nicht erforderlich.
Wie eingangs bereits erwähnt, kommen als umzuformende Bauteile nicht nur zweidimensionale Bleche aus den oben genannten Aluminium- Legierungen sondern auch dreidimensionale Formen in Frage, die in eine gewünschte doppelt gekrümmte bzw. sphärische Form umgeformt werden können. Somit erübrigt sich ein aufwendiges Herstellen von gekrümmten Teilen vor dem Schweißvorgang. Dies war bisher erforderlich, da Bleche und Stringer im endkontumahen Zustand z.B. durch Laserschweißen verbunden wurden.
Ferner wird ein durch Laserschweißen hervorgerufener Verzug des Bauteils bzw. Unebenheiten oder Welligkeiten der Bleche (auch Zeppelin-Effekt genannt), die z.B. beim Befestigen von Stringem mittels Laser-Schweißverfahren in dem Blech erzeugt werden, während des in Fig. 3 dargestellten schematischen Umformprozesses nahezu ausgeglichen. Somit hat das erfindungsgemäße Verfahren zudem den Vorteil, daß es derartige Unebenheiten nahezu vollständig kompensiert, ohne daß komplizierte Nachbehandlungsverfahren bzw. Richtvorgänge erforderlich sind. Zudem gibt es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nur einen geringen Materialverlust, da die Randbereiche an den Längskanten, an denen beim konventionellen Formverfahren die Streckkraft eingeleitet wird, nicht abgetrennt werden müssen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Umformen von Strukturen aus Aluminium-Legierungen, insbesondere aus naturharten AlMg- , naturharten AlMgSc-, und/oder aushärtbaren AlMgLi- Legierungen gekennzeichnet durch die Schritte:
- elastisches Formen eines umzuformenden Bauteils (1) in eine vorgegebeneKontur (2a) unter externer Krafteinwirkung (F, P, p); und
- Erwärmen des elastisch geformten Bauteils (1) auf eine Temperatur (T^ größer als die für eine Kriechumformung und Spannungsrelaxation der Legierung erforderlichen Temperatur, so daß das Bauteil (1) unter Beibehaltung der Kontur (2a) umgeformt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Formung die folgenden Schritte umfässt:
- Einlegen des umzuformenden Bauteils (1) in eine Halteeinrichtung (2), die eine Kontur (2a) aufweist, die einer gewünschten Endform (1a) des umzuformenden Bauteils (1) entspricht;
- Einwirken externer Kraft (F, P, p) auf das Bauteil (1), so daß sich das Bauteil (1) durch elastische Formung an die Kontur (2a) der Halteeinrichtung (2) anlegt;
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische
Formung die folgenden Schritte umfasst:
- Einlegen des umzuformenden Bauteils (1) in eine Halteeinrichtung (2), die eine Kontur (2a) aufweist, die der gewünschten Endform (1a) des umzuformenden
Bauteils (1) entspricht;
- Einwirken einer externen Kraft (F, P) auf das Bauteil (1), so daß sich das Bauteil (1) in Richtung Halteeinrichtung (2) elastisch durchbiegt;
- Abdichten des zwischen Bauteil (1) und Halteeinrichtung (2) entstehenden Hohlraumes (3) mit einem Dichtmaterial (5); und
- Evakuieren des Hohlraumes (3), so daß das Bauteil (2) sich an die Kontur (2a) der Halteeinrichtung (2) anlegt und die gewünschte Endform (1a) einnimmt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (1) mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 20°C/s bis 10°C/h auf die Temperatur (T^ aufgeheizt wird, daß die Temperatur (T^ für eine Zeitdauer zwischen 0 und 72 h gehalten wird, und daß anschließend das Bauteil (1) mit einer Rate von 200°C/s bis 10°C/h abkühlt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur (Tj) zwischen 200°C und 450°C liegt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in die
Halteeinrichtung (2) eingelegte Bauteil (1) in ein Bauteil mit einfach und doppelt gekrümmter bzw. sphärischer Kontur umgeformt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß komplexe 2D- oder 3D-Strukturen zur Umformung in die Halteeinrichtung (2) eingelegt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das umzuformende
Bauteil (1) aus einer naturharten AlMg- Legierung besteht.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das umzuformende
Bauteil (1) aus einer naturharten AlMgSc- Legierung besteht.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das umzuformende
Bauteil (1) aus einer aushärtbare AlMgLi- Legierung besteht.
1 1. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das umzuformende Bauteil (1) aus einer Kombination der Werkstoffe gemäß Anspruch 8 - 10 besteht.
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